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ISSN : 1598-6616(Print)
ISSN : 2287-6731(Online)
Journal of Korean Society of Odor Research and Engineering Vol.12 No.2 pp.43-50
DOI : https://doi.org/10.11161/jkosore.2013.12.2.43

절토 도로 주변 대기오염물 이동에 관한 유체역학적 모델링 연구

정상진
경기대학교 환경에너지시스템공학과

A study on air pollution dispersion around a depressed road using CFD modeling

Sang Jin Jeong
Department of Environmental and Energy Systems Engineering, Kyonggi University
(Received 26 February 2013, revised 01 April 2013, accepted 19 April 2013)

Abstract

In this study we investigated the air pollutants dispersion around depressed road using commercialFLUENT CFD code. In order to find optimal turbulence model which simulates airpollution dispersion around depressed road, we used the realizable k-ε model, the RNG k-ε model, and the Shear-Stress Transport k-ω turbulence model in FLUENT CFD code. Theresults were compared with the wind tunnel experiments. Realizable k-ε turbulence modelprovided the best prediction for the surface concentrations and concentration profiles of selecteddownwind positions of the depressed road. It was found that a noise barrier, whichpositioned around the depressed road, decrease the horizontal impact distance lower0.46~0.81 times and change the vertical air pollution impact distance larger 0.95~1.47 timesthan those of no barrier case. It was also found that two or three noise barriers increase1.33~1.42 times the vertical air pollution impact distance. It contributes the decrease of horizontalair pollution impact distance 0.44~0.60 times compare with no barrier case.

페이지_ 수정_12권2호-논문집(7.11)-최종-1.pdf2.50MB

1. 서 론

 산업 발전에 따른 도시화는 도로의 증설과 자동차 사용의 증대를 가져왔다. 도로의 증대는 도로 주변에 인구 집중을 가져오고, 그 결과 도로에서 배출되는 대기오염물에 의한 도로주변 거주자에 대한 피해를 증가시킨다. 자동차에서 배출되는 대기오염물 (예로서 일산화탄소, 미세입자, 이산화질소, 악취 등)의 피해는 도로에서 300~500m 떨어진 수용체까지 인체영향과 관련되고 있으며, 인체 피해는 천식, 호흡기질환, 심장 질환 등의 질병과 사망 등으로 나타나고 있다(Hagler et al., 2011). GOAA (2008)에 따르면 악취 관리 대상의 주요 오염원은 농업, 정유, 화학, 식품, 폐수처리, 도로교통, 가정난방 등이다. 따라서 도로에서 배출되는 자동차에 의한 악취 피해 관리를 위하여 도로주변에서 형성되는 대기오염물의 농도에 대한 연구도 긴요한 과제이다.

 다양한 형태의 도로 주변에서 발생하는 대기오염물의 확산을 평가를 하기 위하여 풍동 실험, 수치모델, 그리고 현장 관측을 통한 많은 연구가 진행되어 왔다. 풍동실험을 이용한 Heist et al. (2009)의 연구 결과에 따르면 평지 도로에 비하여 절토 도로에서 도로 양쪽에 방음벽을 설치하는 경우 도로 하류 지역에서 지표부근 농도가 가장 많이 감소한다고 하였다. 미국 환경청의 도로주변 오염물의 확산 예측을 위한 CALINE4 모델을 사용한 Yura et al. (2007)의 연구 결과에 따르면, CALINE4 모델은 인구밀집지역에 설치된 건물, 도로 형상 등 복잡지형 영향을 충분히 고려할 수 없기 때문에 자동차에서 배출되는 PM2.5의 하류에서 농도 평가가 잘 이루어지지 않고 있다. 이에 따라 최근 CFD(Computational Fluid Dynamics) 모델을 이용한 도로 주변 오염물 농도 평가가 많이 수행되고 있다(Hagler et al, 2011; Jeong, 2012a, 2012b, 2012c).

 Hagler et al. (2011)은 FLUENT 모델을 사용하여 방음벽 유무에 따른 도로 주변 오염물의 농도 변화를 계산하고 풍동실험 자료를 비교하였다. 그들은 연구결과에서 평지 도로 주변에 방음벽이 설치된 경우 가장 잘 모의하는 난류 모델이 Realizable k-ε모델이라고 하였다. Jeong (2012a)은 평지 도로에서 단일 오염원이 있는 경우 방음벽 설치로 인한 오염물의 이동과 확산을 연구하였다. Jeong (2012b)는 평지 도로 주변에 다중 방음벽이 설치된 경우 FLUENT 모델을 사용하여 도로 오염물의 이동과 확산을 연구하고 방음벽 설치에 따른 도로 주변에서 농도 분포 자료를 제시하였다. Jeong (2012c)은 성토 도로 주변에서 FLUENT 모델을 사용하여 도로에서 배출되는 오염물의 확산을 연구하고 방음벽 설치 위치에 따른 오염물의 영향 범위를 제시하였다. 이상의 연구는 주로 평지 도로나 성토 도로에 대한 연구이고 절토 도로에서 방음벽 설치에 따른 도로에서 배출되는 오염물의 이동에 관한 연구는 미미한 실정이다.

 절토 도로는 도로 부분이 주변 지형보다 낮은 곳에 설치된 도로이다. 평지나 성토 도로와 달리 절토 도로는 도로면이 주변 지면보다 낮은 곳에 위치하므로 도시협곡과 같이 도로에서 배출된 오염물이 도로 주변에 머무는 시간이 길어진다. 절토 도로 주변에 방음벽이 설치되면 유동의 차단 효과가 더욱 강화되어 방음벽이 없는 경우에 비하여 오염물의 도로 주변에 머무는 시간을 더 증대시키고 방음벽 주변 유선을 상승시켜 도로에서 배출된 오염물을 고공 쪽으로 이동시키게 된다. 

 본 연구는 절토 도로와 절토 도로 주변에 방음벽이 설치되는 복잡한 지형을 대상으로 하므로 도로 형상과 도로 주변 구조물의 영향이 충분히 고려될 수 있는 CFD 모델을 사용하여 도로 주변 농도를 계산하였다. 연구 결과로 절토 도로 주변에서 도로 배출 오염물의 확산 계산에 적합한 난류 모델을 제시하였다. 다음으로 선택된 난류 모델을 사용하여 구한 절토 도로 주변에 설치되는 방음벽 개수와 설치위치 변화에 따른 대기오염물의 영향 범위를 제시하였다.

2. 연구 내용 및 방법

 대기 조건은 풍동실험과 비교를 위하여 중립 조건으로 가정하였다. 계산영역은 바람이 방음벽에 수직한 방향으로 불어오는 경우를 가정하였으므로 2차원으로 하 였다. Fig. 1에 나타낸 바와 같이 계산영역은 수평방향×수직방향=1300m×500m로 하였다. 절토 도로의 깊이는 6m로 하고 밑변이 36m 윗변이 55m 인 역사다리꼴로 하였다. 방음벽의 높이는 6m, 두께는 0.5m로 하였으며 방음벽은 그림에서와 같이 단일, 이중 그리고 삼중으로 설치하고 오염원은 바닥 두 곳에 두었다.

Fig. 1. Schematic of the computational area and barrier position.

 FLUENT 모델에서 바닥 경계조건에서 조도높이(roughness height) ks 와 조도계수(roughness constant) Cs 의 관계는 Blocken et al. (2007)에 따르면 아래 식(1)과 같다. 이 경우 조도높이는 바닥부근 격자의 중간까지 높이보다 작아야 한다. 본 연구에서는 바닥 부근 격자 높이가 0.5m이므로 조도높이(ks )를 0.24m로 택하였다. 식 (1)에서 본 연구에서 조도계수(Cs)는 평지 도로 및 성토 도로에 대한 Jeong(2012b, 2012c)의 연구를 참고하여 1.428을 사용하였다.

 

 유입구 유속은 식 (2)로 표시되는 대수 분포함수를 사용하였다. 마찰속도 u* = 0.25 m/s, Karman 상수 κ= 0.4를 사용하였다.

 

 본 연구 계산에서 사용한 초기조건과 경계조건을 Table 1에 나타내었다. 상부 경계조건은 대칭조건(대칭면에서 수직방향 평균 풍속이 0이고 다른 변수의 기울기가 0인 조건)을 사용하였다. 유출경계는 압력 유출(pressure outlet), 바닥 경계조건은 벽면 조건을 사용하였다. 방음벽 벽면경계에서는 평균유속, 난류운동에너지, 난류운동에너지소산을 모두 0으로 두었다.

Table 1. Initial and boundary conditions of this study

 FLUENT에서 오염물의 수송방정식에서 확산항은 Riddle et al. (2004)에 따르면 식(3)과 같다.

 

 이 식에서 C는 배출가스의 농도, D는 분자 확산계수 그리고 μt 는 난류점성계수 Sct 는 난류 Schmidt수 이다. FLUENT 코드에서 가스농도는 가스의 분율로 표시된다. 본 연구는 단기간 대기 중에서 화학반응을 고려하지 않는 악취 오염물을 대상으로 하므로 이와 유사한 대기 중 이동을 하는 오염물인 일산화탄소(CO)를 대상 오염물로 하고 농도는 질량 분율로 표시하였다. 도로에서 배출되는 오염물은 Heist et al. (2009)의 실험 결과와 유사하게 도로 바닥 부근에서 배출하였다. Jeong (2012a, b, c)의 연구에서와 동일하게 배출 오염물의 질량 유량은 1.0×10-2kg/s를 사용하고 배출속도는 1.0×10-6m/s로 가정하였다.

 본 연구에서 수행한 절토 도로 주변 오염물 확산에 관한 8가지 계산 case를 Table 2에 나타내었다. 계산 case는 방음벽이 없거나 한 개 설치된 경우(case I), 방음벽이 두 개 또는 세개 설치된 경우 (case II)로 하고 방음벽 위치에 따라 c (도로 중간), w (풍상측), l (풍하측)으로 표시하였다.

Table 2. Barrier numbers and positions of study cases

3. 연구 결과 및 고찰

3.1 방음벽이 없는 경우 적합 모델의 선정

 본 연구에서는 절토 도로에서 적합한 모델을 선정하기 위하여 FLUENT 6.3에서 제시하는 복잡지형 모델로 수정된 Realizable 모델(이하 REA), RNG k-ε모델(이하 RNG), Shear-Stress Transport k-ω 모델(이하 SST)을 사용하였다.

 본 연구에서는 농도 표시를 풍동실험 결과와 비교하기 위하여 식 (4)로 표시되는 무차원 농도를 사용하였다.

 

 식 (4)에서 X 는 무차원 농도이고, Lx 는 선오염원의 x 방향길이(m), Ly 는 선오염원의 y 방향 길이(m), Q 는 배출강도(kg/s), U 는 참조 높이에서 평균 풍속(m/s), 그리고 ρ는 가스의 밀도(kg/㎥)이다.

 Fig. 2에는 FLUENT 코드에서 3가지 난류 모델로 계산한 결과와 Heist et al. (2009)이 풍동실험에서 구한 지표부근 무차원 농도를 나타내었다. Fig. 2에서 알 수 있는 바와 같이, 풍동실험 결과보다 RNG 모델은 지표 부근 농도를 30% 정도 과대 평가하고 SST 모델은 20% 정도 과소 평가한 반면, REA 모델은 유사하게 나타났다.

Fig. 2. Comparison of wind tunnel with simulated surface concentrations at different downwind distances of a road.

 Fig. 3에는 무차원 하류 거리 (x/H: 여기서 H=6m) 5 와10에서 수직방향 농도 프로파일을 비교한 결과를 나타내었다. 무차원 높이 z/H=1일 때 무차원 거리 x/H=5에서 REA 모델은 0.47배, RNG 모델은 0.52배, SST 모델은 0.84배 정도로 풍동실험 결과보다 작게 나타났고, x/H=10에서 REA는 0.18배, RNG 모델은 0.14배, SST 모델은 0.55배 작게 나타났다. 전반적으로 농도 프로 파일의 재현은 REA 모델이 잘하는 것으로 나타났다. 다음 절에서는 이상의 결과(Fig. 2와 Fig. 3)를 참고로 적합 난류 모델은 REA로 정하고 방음벽이 설치된 경우에 대한 계산 결과를 제시하였다.

Fig. 3. Dimensionless concentration profiles of the wind tunnel and the computed results, (a) x/H=5, (b) x/H=10.

3.2 절토 도로 주변에서 방음벽 설치에 따른 도로 주변에서 농도 변화

 Fig. 4에는 방음벽이 없는 경우와 각각 도로풍상측(windward), 중앙(center) 그리고 풍하측(leeward)에 방음벽이 설치된 경우 방음벽 주변 유선과 농도를 나타내었다. 단일 방음벽이 설치된 경우 전체적으로 방음벽 설치로 인하여 절토 도로 내의 대기 오염물의 하류 방향으로 이동이 저지되고 고공 방향 이동이 증가하여 수평방향 영향 거리는 줄어들고 수직방향 영향 거리는 증가하였다. 도로 중앙에 방음벽이 설치된 경우(Case I-c) 배출된 오염물이 하류 방향으로 가장 멀리 영향을 주는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 방음벽이 도로 중앙에 설치되는 경우 방음벽이 절토 도로 내부에 설치되어 절토 도로 외부의 상류나 하류에 높은 위치에서 방음벽이 설치되는 경우보다 대기오염물의 차단효과가 줄어들기 때문으로 판단된다.

Fig. 4. Concentration contours and streamlines of no and one barrier cases.

 Fig. 5는 방음벽을 다중(이중 및 삼중)으로 설치할 때, 계산된 오염물의 도로 주변에서 농도 분포와 유선을 나타내었다. 그림에 나타낸 바와 같이 이중 방음벽이 중앙과 상류에 설치된 경우(case II-wc)가 상대적으로 오염물의 수평방향 영향범위가 가장 큰 것으로 나타났다. 방음벽이 삼중으로 설치된 경우(case II-wcl) 오염물의 하류 방향 이동은 방음벽이 이중으로 설치된 경우(case II-wc, case II-cl)와 유사한 것으로 나타났으나 방음벽이 상 하류에 두 곳 설치된 경우(case II-wl )보다 더 많았다.

Fig. 5. Concentration contours and streamlines of two and three barrier cases.

 이상의 결과를 요약하여 방음벽 설치로 인한 대기 오염물의 수직 및 하류 방향 영향거리를 Fig. 6에 나타내었다. 단일방음벽이 설치된 경우 수평방향 영향거리는100 m에서 175m였으며 이는 방음벽이 없는 경우 수평방향 영향거리 217m 보다 0.46~0.81배로 감소하였고, 수직방향 영향 거리는 13.2~20.5 m의 범위를 나타내고 있다. 이와 같은 결과는 방음벽이 없는 경우 수직방향 영향거리 13.9 m에 비하여 0.95~1.47 배로 변화된 값이다. 이중 방음벽이 설치된 경우 수평방향 영향거리는 96~123m로 방음벽이 없는 경우에 비하여 0.44배~0.60배 감소하였다. 이중 방음벽에서 수직방향 영향거리는 18.5~19.8m의 범위를 나타내고 있으며 이는 방음벽이 없는 경우보다 1.33배~1.42배 증가한 값이다. 방음벽이 삼중으로 설치된 경우 수평방향 영향거리는 121m, 수직방향 영향거리는 19.8 m로 이중 방음벽 중에서 수직방향으로 오염물 이동에 가장 영향이 큰 경우인 방음벽이 상부와 하부에 설치된 경우(case II-wl)와 유사한 결과였다.

Fig. 6. Vertical and horizontal impact distances for various barrier conditions.

 이상의 결과에서 알 수 있는 바와 같이 절토 도로 주변에서 방음벽이 설치되면 절토 도로 내부에서 대기 오염의 농도가 증가하고 이들 농도는 도로 주변에 머물면서 장기적으로 농축될 것으로 판단된다.

4. 결 론

 밑변이 55m,윗변이 36m인 높이 6m인 역사다리꼴 모양 절토 도로 주변에서 FLUENT 코드의 세가지 난류 모델, 즉 Realizable k-ε 모델, RNG k-ε 모델, Shear-Stress Transport k-ω 모델, 의 모의 결과와 풍동실험과 비교한 결과 적합 모델은 Realizable k-ε 모델 이었다. 선정된 모델을 이용하여 높이 6m, 폭 0.5m인 방음벽을 단일, 이중, 삼중으로 설치하고 절토도로 주변에서 오염물의 이동을 연구한 결과 다음의 결론을 얻었다.

 1) 방음벽이 없는 경우에 비하여 단일 방음벽이 설치된 경우 오염물의 이동은 수평방향으로 0.46~0.81배로 감소하고 수직방향으로 0.95~1.47배 증가하였다. 이 경우 방음벽이 하류에 설치된 경우 오염물의 하류 방향이동이 가장 큰 것으로 나타났다.

 2) 방음벽이 이중으로 설치된 경우 방음벽이 없는 경우에 비하여 수평방향으로는 0.44~0.60 수직방향 영향 거리는 1.33~1.42 배 증대하였다.

 3) 삼중으로 방음벽이 설치된 경우는 방음벽을 상류와 하류에 이중으로 설치하는 경우와 유사한 수직 및 수평방향 영향 거리를 나타내었다.

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